CN102770347B - 变刚度液体惯性隔振器 - Google Patents

Abstract

一种变刚度液体惯性隔振设备，包括消除振动的液体惯性隔振器和与所述消除振动的液体惯性隔振器可拆卸地相连的变刚度弹簧，用于改变所述液体惯性隔振器的刚度。所述变刚度弹簧可以包括弹性垫，该弹性垫沿第一轴呈现第一刚度并且沿第二轴呈现第二刚度，第二刚度比第一刚度大得多，所述第二轴垂直于所述第一轴。

Description

变刚度液体惯性隔振器

技术领域

本申请的系统一般涉及振动控制。特别的，本申请的系统涉及一种隔离结构体或主体上由谐波或振荡移位或者谐波或振荡力导致的机械振动的装置。本申请的系统更好地适用于飞机领域，特别是，直升机和其他螺旋桨的飞机。

背景技术

许多年来，人们努力开发一种用于将振动主体的振动隔离以防传到另一个主体的装置。这种装置在希望隔离振荡或振动装置比如发动机的振动以免影响结构的其余部分的各种技术领域都是有用的。典型的振动隔离和衰减装置（“隔振器”）采用多个机械系统元件（弹簧和质量）的多种结合来调整整个系统的频率响应特性，以实现该系统中所讨论的结构的振动在可接受的水平。一个领域中，这些隔振器被发现大量地使用于飞机，其中，振动-隔离系统被用于隔离飞机的机身或其它部分以免受到机械振动比如谐振影响，所述机械振动与推进系统相关联并产生于飞机的发动机、传动装置、以及螺旋桨或旋翼。

一种隔振器是液体惯性隔振器（a liquid inertia vibration eliminator），简称为“LIVE”隔振器。LIVE隔振器采用一种密集的、低粘性的流体作为“调谐”质量以平衡掉或抵消通过该隔振器传输的振荡力。一些常规的LIVE隔振器能够衰减单个振动频率，其为公知的隔离频率。这种LIVE隔振器的一个例子是美国专利号为6,009,983、名称为“Method and Apparatus for ImprovedVibration Isolation（改进隔振的方法和装置）”的美国专利，于2000年1月4日授权给Stamps等人，该专利所描述的内容通过参考并入在此。在其它一些常规的LIVE隔振器中，该隔振器的动态响应可以改变以衰减所提供的隔振频率范围内各个不同的振动频率。大多数常规的可变LIVE隔振器改变隔振器中的调谐质量或在隔振器中嵌入有源驱动器，比如压电驱动器。这种LIVE隔振器的一个例子是美国专利号为6,695,106、名称为“Method andApparatus for Improved Vibration Isolation（改进隔振的方法和装置）”，于2004年2月24日授权给Smith等人，该专利所描述的内容通过参考并入在此。然而，这样的配置是复杂的，因此昂贵。此外，如果想要衰减不同振动模式，现有的非可变LIVE隔振器必须替换为可变LIVE隔振器或者现有的非可变LIVE隔振器的内部元件必须被修改。

现有技术中有许多隔振器，然而，仍然有相当大的改进空间。

附图说明

本申请的系统的新颖特征在所附的权利要求部分中描述。然而，系统本身及其优选的使用模式和进一步的目的和优点，结合附图阅读如下的详细说明书将能最好地理解，其中，各个附图标记中最左边的有效数字指示第一次出现该附图标记的图形，其中：

图1为一种变刚度液体惯性隔振设备的一个示例性实施例的横截面视图；

图2为图1的变刚度液体惯性隔振设备的变刚度弹簧一个示例性实施例的侧视图；以及

图3为图2的变刚度弹簧的俯视图。

虽然本申请的系统允许有多种修改和变形，具体实施例在附图中通过示例方式显示并在文中详细描述。然而，应当明白，文中描述的具体实施例意图不在于将该系统限制为所公开的特定形式，相反，意图在于覆盖落入所附权利要求所限定的本申请精神和范围内的所有修改、等效或者替换。

具体实施方式

下面描述本申请的系统的示例性实施例。为了清楚起见，不是所有的实际实现的特征都在这个说明书中描述。当然容易明白，在任意这种实际实施例的开发中，必须作出大量特定实现的决策以达到开发者的特定目的，比如遵循系统相关和商业相关的约束，它将一种实现改变成另一种。而且，容易明白这样的开发努力可能是复杂和费时的，但对已受益于本公开方案的本领域普通技术人员来说是常规工作。

本说明书中，标号指示附图中所描述的装置的各个组件之间的空间位置关系和各个组件各面的空间定向。然而，本领域技术人员在读完本申请后将认识到，被描述的设备、零件、装置等等可以位于任意期望的方向。因此，描述各个组件的空间位置关系或者描述上述这些组件各面的空间定向时使用的诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”或者其他类似的术语，应该理解为是分别描述组件之间的相对关系或者上述这些组件各面的空间定向，因为文中所描述的设备可以以任意期望的方向定向。

本申请的系统是一种变刚度液体惯性隔振设备。该设备包括消除振动的液体惯性（“LIVE”）隔振器，与变刚度弹簧可拆卸地相连，该变刚度弹簧使该LIVE隔振器的刚度得以选择性改变。换句话说，改变该变刚度弹簧的刚度以增大或减小LIVE隔振器的机械刚度。在一个实施例中，该变刚度弹簧包括弹性垫，该弹性垫沿第一轴呈现的刚度比沿与所述第一轴大体垂直的第二轴呈现的刚度大得多。在这个实施例中，所述弹性垫被例如步进电动机旋转以改变LIVE隔振器所看到的刚度大小，并相应地改变LIVE隔振器的刚度大小。

图1描绘变刚度液体惯性隔振设备101的一个示例性实施例。设备101包括LIVE隔振器103，与变刚度弹簧105可拆卸地连接。LIVE隔振器103包括限定有大体为圆柱形内部的空心壳体107。当设备101使用时，壳体107通常耦接到被隔离振动的主体109比如飞机的机身上。具有选定横截面直径的活塞111布置于壳体107的内部。当设备101使用时，如箭头112所示的，活塞111通常耦接到振动源上，比如航天器的机翼、发动机、或者其它振动产生元件。弹性密封和弹簧件113弹性地密封活塞111于壳体107的内部。

流体腔115由壳体107的内部、活塞111、以及弹性密封和弹簧件113来限定。一种已知密度的隔振流体117，也称为调谐流体，布置于流体腔115内。调谐流体117优选为非腐蚀性的和安全环保的，具有低粘性和较高密度。除了密封调谐流体117于流体腔115内，弹性件113还用作弹簧使得活塞111沿着运动主轴129的方向相对于壳体107运动或振荡，当没有负载施加于LIVE隔振器103时保持活塞111在壳体107大体中央的位置。在一个实施例中，调谐端口119从中心穿过活塞111延伸并允许调谐流体117从流体腔115的第一端121移动到流体腔115的第二端123。

依然参考图1，当运行时，由振动源比如发动机、传动装置、推进系统、和/或类似的部件产生的振荡力被传输到活塞111使得活塞111产生振荡移位。活塞111的移位通过弹性件113经由壳107传输到主体109，结果导致主体109移位，主体109的移位小于活塞111的移位。调谐流体117在调谐端口119内移位以抵抗活塞111的振荡移位。

变刚度弹簧105第一端125与壳体107可拆卸地连接，第二端127与活塞111可拆卸地连接。除了由弹性密封和弹簧件113所提供的刚度之外，还有变刚度弹簧105在与箭头129所示的运动主轴大体对应的方向提供刚度给LIVE隔振器103。增加变刚度弹簧105的刚度就可以在方向129上轻微地增加LIVE隔振器103的整体刚度并增加隔振频率，而减小变刚度弹簧105的刚度就可以在方向129上轻微地减小LIVE隔振器103的整体刚度并减小隔振频率，由此提供隔振频率范围。

图2和3描绘变刚度弹簧105的一个示例性实施例。在该图示的实施例中，变刚度弹簧105包括弹性垫201a和201b，被粘着于中央块204和内部环202之间并与耦合环203可拆卸地连接。弹性垫201a和201b沿第一轴301呈现第一刚度，沿第二轴303呈现第二刚度，该第二刚度比所述第一刚度大得多，第二轴303垂直于第一轴301。弹性垫201a和201b每一个优选为一种固体弹性材料，比如橡胶。然而，弹性垫201a和201b的替换实施例可以包括金属薄垫片或者其他适应压缩和剪切刚度的薄片状件。变刚度弹簧105例如在305处与壳体107耦接，并且例如在第一轴301和第二轴303交叉处的块204的中心处与活塞111耦接。连同弹性垫201a和201b一起的内部环202、以及中央块204可以相对于耦合环203旋转，如箭头309所指示的，以改变传递到壳体107和活塞111之间连接部分的刚度。内部环202、弹性垫201a和201b以及中央块204可以被旋转驱动器311比如步进电动机驱动相对于耦合环203旋转。螺杆传动210可以用于将来自驱动器311的动力转换为作用于内部环202上的旋转力；然而，多种设备也可以用来对内部环202、弹性垫201a和201b以及中央块204产生相对于耦合环203的可控制旋转。

第一刚度通过弹性垫201a和201b的剪切加载得到。大于该第一刚度的第二刚度通过弹性垫201a和201b中至少一个的压缩加载得到。照此，弹性垫201a和201b被构型成在压缩加载下提供较高刚度，在剪切力加载下提供较低刚度。块204上的加载是由活塞111受到的振动负载沿着运动主轴129传递而来的（如图1所示）。在运行过程中，当内部环202、弹性垫201a和201b、以及中央块204围绕着点A旋转（如图3所示）以使轴303与运动主轴129对齐时，振动负载使弹性垫201a和201b中有至少一个受到压缩负载，由此得到第一刚度，因此隔离第一频率。在运行过程中，当内部环202、弹性垫201a和201b、以及中央块204围绕着点A旋转以使轴301与运动主轴129对齐时，振动负载使弹性垫201a和201b受到剪切负载，由此得到第二刚度，因此隔离第二频率。第一空口206和第二空口208被构型成具有供弹性件201a和201b的偏移使用的空间。进一步来说，内部环202、弹性垫201a和201b、以及中央块204可以围绕着点A旋转，以使运动主轴129与合成轴对齐，其中合成轴是轴301和轴303相结合的轴。内部环202、弹性垫201a和201b以及中央块204这样定位产生由所述第一刚度和所述第二刚度结合后的合成刚度。容易理解的是，替换实施例中具有更多数量的弹性垫201a和201b。

一般变刚度弹簧组件105较优地是成对采用，一对变刚度弹簧组件105围绕点A在箭头309指示的两个相反方向上旋转，也就是说，一个变刚度弹簧组件105顺时针旋转而另一个变刚度弹簧组件105逆时针旋转。使用两个同心运转的并置的变刚度弹簧组件来排除与动力主轴129不对齐的脱轴刚度的变化带来的一系列麻烦。例如，第一变刚度弹簧组件105可以将内部环202、弹性垫201a和201b、以及中央块204在顺时针方向旋转45°角。相反地，第二变刚度弹簧组件105可以将内部环202、弹性垫201a和201b、以及中央块204在逆时针方向旋转45°角。结果，来自第一弹簧组件105的任何横向剪切力都将被来自第二弹簧组件105的横向剪切力抵消。应当注意的是，然而，本申请可以采用除图2和3所示的构型之外的其它构型的变刚度弹簧。

本申请的系统提供了显著优点，包括：（1）提供的隔振频率可变的LIVE隔振设备的复杂度低于常规的隔振频率可变的LIVE隔振器的复杂度；（2）提供的隔振频率可变的LIVE隔振设备的成本低于常规的隔振频率可变的LIVE隔振器的成本；和（3）提供一种方法来修改现有的隔振频率不可变的LIVE隔振器使其具有可变的隔振频率，而不需要修改现有的LIVE隔振器的内部组件。

上述揭露的特定的实施例仅仅是示意性的，因为受益于文中的教导的本领域技术人员容易想到将所述系统修改成不同但等效的形式。进一步来说，除了下面的权利要求书中所述的方案之外，本方案不限制为图中所示的结构或设计的细节。因此，显而易见的是，上述揭露的具体实施例可以更改或修改并且所有这样的变型都被认为在本申请的范围和精神内。因而，这里要求保护的技术方案在下面的权利要求书中描述。显而易见的是，系统所具有的显著优点已经被描述和图示了。尽管本申请的系统以数量有限的形式被图示，但不只限于这些形式，在不超出其精神范围内，可进行不同的变化和修改。

Claims (10)

1.一种变刚度液体惯性隔振设备，包括：

消除振动的液体惯性隔振器；和

与所述消除振动的液体惯性隔振器可拆卸连接的第一变刚度弹簧，用于改变液体惯性隔振器的隔振频率，其中所述第一变刚度弹簧包括：

弹性垫，沿第一轴呈现第一刚度并且沿第二轴呈现第二刚度，且第二刚度比第一刚度大得多，所述第二轴垂直于所述第一轴；

与所述弹性垫可拆卸地连接的耦合环；

其中所述弹性垫相对于所述耦合环可旋转；

其中所述消除振动的液体惯性隔振器包括：

限定有内部的壳体；

位于所述壳体的内部的活塞；

位于所述壳体和所述活塞之间的弹性密封件；

由所述壳体、所述活塞和所述弹性密封件限定的流体腔，所述活塞限定并分隔所述流体腔为在活塞的相对两侧的两部分；

位于所述流体腔中的调谐流体；和

使得流体腔的所述两部分之间流通的调谐端口。

2.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述壳体被构型成与要隔离振动的主体耦接。

3.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述活塞被构型成与振动源耦接。

4.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述调谐流体是非腐蚀性的。

5.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述调谐流体是安全环保的。

6.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述调谐流体具有低粘性和较高的密度。

7.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述第一变刚度弹簧与所述壳体和所述活塞可拆卸地连接。

8.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，进一步包括：旋转驱动器，用于将所述弹性垫相对于所述耦合环旋转。

9.如权利要求8所述的变刚度液体惯性隔振设备，其中所述旋转驱动器是步进电动机。

10.如权利要求1所述的变刚度液体惯性隔振设备，进一步包括：第二变刚度弹簧，相对于所述第一变刚度弹簧同心设置且可操作地反向旋转。